СПОСОБ МОКРОГО ПРЕССОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК B22F3/02 B22F3/03 B30B15/02 

Предлагаемое изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам прессования порошковых материалов в присутствии жидкости.

Известен способ прессования керамических масс, содержащих жидкость (воду), включающий приготовление смеси, увлажнение и прессование [Р.Я.Попильский, Ф.В.Кондрашов /Прессование керамических порошков. М.: Металлургия, 1968, 272 с./].

Известно устройство для мокрого прессования, содержащее матрицу, верхний и нижний пуансоны с приводами, напорное устройство для заполнения матрицы массой, вакуумную систему для отсоса отжатой при прессовании жидкости и узел для съема отпрессованных изделий. Для повышения производительности и качества изделий узел для съема отпрессованных изделий выполнен в виде размещенной между матрицей и верхним пуансоном приводного шибера с отверстием, превышающим по диаметру отверстие в матрице, на позиции выталкивания изделия, а на позиции прессования - с сеткой и с камерой, соединенной с вакуумной системой. В процессе прессования осуществляют отсос жидкости через сетку отверстий камеру и вакуумную систему [авторское свидетельство СССР №1519841, МКИ B22F 3/00. Опубл. 30.10.89. Бюллетень Изобретений №41].

Наиболее близким техническим решением является способ прессования порошковых материалов, включающий введение в порошок жидкости и прессование, при этом летучую жидкость вводят со стороны прессующего пуансона в количестве 0,2-3 объема пор прессовки, прессование проводят с одновременной подачей жидкости до окончания процесса. При этом происходит частичное удаление пластификатора, растворением и отмывкой, и пропитка прессовки жидкостью.

Пресс-форма для осуществления способа представляет собой матрицу, верхний и нижний пуансоны и устройство для подачи жидкости. Устройство для подачи жидкости представляет собой цилиндр, стенки которого имеют симметричные сквозные отверстия, соединяющие внутреннюю полость матрицы с полостью для жидкости. Жидкость подается поршнем, который конструктивно связан с верхним пуансоном или имеет дополнительный источник давления [патент RU №2275274 С1 от 27.04.2006 г., МПК В22F 3/02, В22F 3/03, В30В 15/02].

Недостатками наиболее близкого технического решения являются малая степень отмывки пластификатора, низкое качество пропитки.

Недостатком пресс-формы для реализации способа являются отсутствие возможности регулировать скорость отмывки пластификатора жидкостью при прессовании порошка, скорость прохождения жидкости через слой порошка, который уменьшает свою высоту и проницаемость при уплотнении его пуансоном.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа и устройства (пресс-формы) для повышения степени отмывки пластификатора и пропитки раствором соли, повышение качества изделий после прессования, при уплотнении порошка с добавлением летучей или легко испаряющейся жидкости. Разработка пресс-формы, позволяющей регулировать скорость отмывки пластификатора жидкостью при прессовании порошка, скорость прохождения жидкости через слой порошка, который изменяет свою высоту и проницаемость при уплотнении его пуансоном.

Достигаемым техническим результатом является повышение качества изделий и увеличение производительности процесса.

Для решения поставленной задачи в способе прессования порошковых материалов, включающем размещение порошка в пресс-форме, содержащей матрицу и прессующий и нижний пуансоны, и прессование с введением в порошок перед прессованием и одновременно с прессованием до окончания процесса летучей жидкости со стороны прессующего пуансона в количестве 0,2-3 объема пор прессовки, согласно предлагаемому изобретению одновременно с подачей жидкости проводят вакуумирование со стороны нижнего пуансона. Способ позволяет осуществлять прессование непластичных порошков без пластификатора, проводить частичное удаление пластификатора при прессовании, а также осуществлять пропитку прессовки.

Пресс-форма, содержащая матрицу, состоящую из верхней и нижней частей, верхний и нижний пуансоны и устройство для подачи жидкости, согласно предлагаемому изобретению со стороны нижнего пуансона снабжена устройством для вакуумирования.

В качестве устройства для вакуумирования может выступать поршень, выполненный с возможностью движения по нижней части матрицы и создающий разряжение под нижним пуансоном.

Предлагаемое изобретение стало возможным после того, как авторы установили общие закономерности уплотнения порошковых гранул, и применили к ним теорию А.В.Лыкова [А.В.Лыков/Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1978. 479 с/]. Обычно структуры пористых сред характеризуют однородностью, анизотропностью и гетерогенностью. Все эти признаки присутствуют в порошковых телах, состоящих более чем из одного компонента и прессуемых в стальных пресс-формах.

Введение понятия - проницаемость [А.В.Лыков/Тепломассообмен. Справочник. 2-е издание. М.: Энергия, 1978, с.290-297/] позволяет теоретически обосновать возможность отмывки пластификатора с поверхности порошковых гранул, засыпанных в матрицу перед уплотнением и в процессе их прессования.

Прессуемый гранулированный материал в состоянии засыпки имеет проницаемость в элементарном объеме, не зависимую от направления, и представляет собой изотропную среду. Поэтому введение жидкости перед уплотнением позволит ей пройти через слой порошка без особого сопротивления.

При уплотнении пуансоном засыпанного порошка и одновременной подачей жидкости происходит изменение проницаемости в элементарном объеме в зависимости от направления, т.к. порошковая среда переходит из изотропного в анизотропное тело. Переход изотропной среды в анизотропную зависит от глубины погружения верхнего пуансона [Г.А.Либенсон, В.Ю.Лопатин, Г.В.Камарницкий/Процессы порошковой металлургии, том 2. М.: Изд. МИСиС. 2002, с.31-33/].

В предлагаемом способе жидкость подают на поверхность засыпанного порошка: только на верхнюю, верхнюю и боковую, только на боковую (варианты), при этом осуществляют вакуумирование со стороны нижнего пуансона (варианты), до приложения давления на порошок, во время его уплотнения (варианты).

Вакуумирование со стороны нижнего пуансона имеет преимущество по отношению к вакуумированию сверху, которое осуществляют в известном способе [авторское свидетельство СССР №1519841, МКИ B22F 3/00. Опубликовано 30.10.89. Бюллетень Изобретений №41], т.к. в этом случае, кроме капиллярных и инерционных сил, отмывке пластификатора способствуют гравитационные силы. При вакуумировании сверху необходимо преодолевать гравитационные силы [Взаимодействие пористо-капиллярной структуры и морозостойкости керамического материала./В.З.Абдурахимов, М.П.Зелиг, Е.С.Абдурахимова, В.А.Юмина, В.Д.Абдурахимов.//Ж. Металловедение, 6 (99), 2005].

Движение жидкости вверх приводит к разрыву потока и неоднородности удаления жидкости.

Движение жидкости вниз не приводит к разрыву потока и не создает неоднородности удаления жидкости из объема порошкового тела.

Подача жидкости на верхнюю поверхность засыпанного порошка перед его уплотнением, с одновременным вакуумированием со стороны нижнего пуансона позволяет жидкости растворить пластификатор, что приводит к распаду гранул на отдельные частицы (группы частиц меньшего, чем исходные гранулы размера). Вакуумирование со стороны нижнего пуансона позволяет увеличить скорость прохождения жидкости через слой порошка, увеличить степень отмывки пластификатора и повысить качество и производительность процесса (вариант 1).

Скорость фильтрации в дифференциальной форме может быть представлена:

где К - коэффициент фильтрации; P/l - потеря напора на преодоление сопротивления при длине пути фильтрации l и носит название напорного градиента [С.М.Ясюкевич/Обогащение руд. М.: Гос. Н-т изд-во по черной и цветной металлургии. 1953. 515 с.].

В процессе уплотнения слой порошка в матрице (путь фильтрации l) уменьшается, а сопротивление прохождению жидкости возрастает за счет уменьшения размеров пор между гранулами порошка (проницаемости).

Подача жидкости на верхнюю и боковую поверхности засыпанного порошка перед его уплотнением, с одновременным вакуумированием со стороны нижнего пуансона позволяет за равный промежуток времени по сравнению со способом-прототипом, отмыть большее количество пластификатора (вариант 2).

Подача жидкости на боковую поверхность засыпанного порошка перед его уплотнением, с одновременным вакуумированием со стороны нижнего пуансона позволяет в большей степени отмыть пластификатор в цилиндрической части засыпанного порошка (вариант 3). Создание концентрационного градиента после «мокрого» прессования позволит в процессе последующей сушки полнее удалить пластификатор из объема прессовки [патент RU №2273547 от 10.04.2006 г., МПК B22F 3/02 (2006.01); С04В 35/638 (2006.01)].

Подача жидкости на верхнюю поверхность засыпанного порошка, с одновременным вакуумированием со стороны нижнего пуансона и одновременным его уплотнением, позволяет жидкости двигаться вниз по объему прессовки не только под действием разряжения, создаваемого вакуумированием под нижним пуансоном, но и под давлением верхнего пуансона, т.е. повысить качество и производительность процесса (вариант 4).

Подача жидкости на верхнюю и боковую поверхности засыпанного порошка с одновременным вакуумированием со стороны нижнего пуансона и одновременным его уплотнением позволяет за равный промежуток времени, по сравнению со способом-прототипом, отмыть большее количество пластификатора, т.е. повысить качество и увеличить производительность (вариант 5).

Подача жидкости на боковую поверхность засыпанного порошка с одновременным вакуумированием со стороны нижнего пуансона и одновременным его уплотнением позволяет за равный промежуток времени по сравнению со способом-прототипом, отмыть большее количество пластификатора, т.е. повысить качество и увеличить производительность (вариант 6). Создание концентрационного градиента после «мокрого» прессования позволит в процессе последующей сушки полнее удалить пластификатор из объема прессовки.

Пример 1. (Способ-прототип). Навеску 10,0 г. гранулированной смеси промышленного твердого сплава ВК6, замешанного с каучуком, засыпали в матрицу диаметром 16 мм и прессовали при давлении 500 кг/см².

Мокрое прессование проводили следующим образом. Гранулированную смесь засыпали в прессовку, сверху заливали 0,1 мл этанола, что соответствовало 20% объема пор при прессовании обычным (сухим) способом, вводили пуансон в полость матрицы и осуществляли прессование. Глубина погружения пуансона составила 8,18 мм по сравнению с 7,49 мм при обычном (сухим) способе прессования. Степень отмывки пластификатора ˜5%.

Пример 2. (Предлагаемый способ). Условия Примера 1. Отличие в том, что одновременно с введением жидкости осуществляли вакуумирование.

Степень отмывки пластификатора составляла ˜10%. Степень отмывки пластификатора определяли по убыли веса после сушки образца, полученного «мокрым» прессованием.

Пример 3. На фиг.1-3 изображена кинематическая схема устройства. На фиг.1 матрица состоит из 2-х частей: первая (верхняя) соответствует зоне структурной деформации порошка (1), вторая, нижняя (2) - окончанию последнего этапа уплотнения.

Верхняя часть состоит из внутреннего цилиндра (3), полости для жидкости (4) и внешней части матрицы (5), обеспечивающей герметизацию между двумя частями (1) и (2) (на фиг.1÷3 не показано). Внутренний цилиндр (3) представляет собой полость матрицы, в которой происходит прессование порошка. Стенки цилиндра имеют симметричные сквозные каналы, соединяющие внутреннюю полость матрицы с полостью для жидкости (4). Размер, количество и форма каналов рассчитаны таким образом, чтобы исключить быстрое, самопроизвольное истечение жидкости. Поршень (9) опускают вниз, он создает разряжение под нижним пуансоном. Поршень (9) одновременно являясь приемной чашей для жидкости. При движении вверх поршень (9) выдавливает жидкость, прошедшую через порошковое тело, через клапан, который закрывается при опускании вниз (на фиг.1-3 не показано).

Чем резче скорость опускания поршня (9), тем больше создаваемое им разряжение под нижним пуансоном. Регулируя скорость опускания поршня (9), можно менять скорость фильтрации.

Поршень (9) можно опускать с постоянной скоростью (вариант 1), обеспечивая постоянное разряжение.

Поршень (9) можно опускать с увеличивающейся скоростью (вариант 2), т.к. в процессе уплотнения слой порошка в матрице уменьшается, а сопротивление прохождению жидкости возрастает за счет уменьшения размеров пор (проницаемости), поэтому необходимо увеличивать разряжение.

Кольцевой поршень (6) имеет уплотнение, которое не позволяет жидкости вытекать из полости (4) вверх через зазор между полостью (4) и поршнем (6) (на фиг.1÷3 не показано).

Поршень (6) закреплен на верхнем пуансоне (7), причем прессующая поверхность пуансона выше, чем у поршня (6). Такая конструкция обеспечивает 3 варианта способа.

Подача жидкости на верхнюю поверхность и вакуумирование до уплотнения (вариант 1).

Подача жидкости на верхнюю и боковую поверхности, вакуумирование до уплотнения (вариант 2).

Подача жидкости на боковую поверхность, вакуумирование до уплотнения (вариант 3).

Поршень (6) закреплен на верхнем пуансоне (7), причем прессующая поверхность пуансона и поршня находятся в одной горизонтальной плоскости. Подача жидкости на верхнюю поверхность, вакуумирование и одновременное уплотнение (вариант 4).

Подача жидкости на верхнюю и боковую поверхность, вакуумирование и одновременное уплотнение (вариант 5).

Подача жидкости на боковую поверхность, вакуумирование и одновременное уплотнение (вариант 6).

На фиг.2 (правая сторона) представлен этап окончания прессования. В поршне (9) - раствор пластификатора.

Минимальный внутренний рабочий объем поршня (9) равен объему внутреннего цилиндра (3).

Максимальный внутренний объем поршня (9) зависит от того, сколько жидкости необходимо пропустить через слой засыпанного в матрицу порошка.

Пример 4. Устройство по Примеру 3. Отличие состоит в том, что поршень (9) находится неподвижно, а разряжение (вакуумирование) создается вакуумной системой (на фиг.1-3 не показано), которая обеспечивает также непрерывный отвод жидкости.

Пример 5. Прессующая поверхность пуансона выше, чем поршня. Жидкость подается на верхнюю поверхность порошкового материала раньше, чем его уплотнение, но с вакуумированием нижнего пуансона. Происходит отмывка пластификатора перед уплотнением гранулированного порошка (вариант 1).

Пример 6. Прессующая поверхность пуансона выше, чем поршня. Жидкость подается на верхнюю и боковую поверхности порошкового материала раньше, чем его уплотнение, но с вакуумированием нижнего пуансона. Происходит отмывка пластификатора перед уплотнением гранулированного порошка (вариант 2).

Пример 7. Прессующая поверхность пуансона выше, чем поршня. Жидкость подается на боковую поверхность порошкового материала раньше, чем его уплотнение, но с вакуумированием нижнего пуансона. Происходит отмывка пластификатора перед уплотнением гранулированного порошка (вариант 3). В этом варианте преимущественно происходит отмывка боковой, цилиндрической части гранулированного порошка.

Пример 8. Условия Примеров 5, 6, 7. Отличие состоит в том, что поршень (9) находится неподвижно, а разряжение (вакуумирование) создается устройством для вакуумирования.

Пример 9. Прессующая поверхность пуансона ниже, чем поршня. Жидкость подается на боковую поверхность. Уплотнение порошка наступает раньше, чем подача жидкости. Скорость движения верхнего пуансона меньше, чем скорость кольцевого поршня (6). Вакуумирование производят одновременно с подачей жидкости.

Степень отмывки пластификатора менее 5%. Качество прессовки плохое.

Работа устройства. На фиг.1 изображена стадия засыпки порошка в рабочую полость матрицы. Верхняя часть матрицы (1) герметично соединена с нижней частью (2), исключающей самопроизвольное истечение жидкости из полости (4). После засыпки порошка в полость матрицы, в полость (4) подают требуемое количество жидкости. Верхний пуансон (7) совместно с поршнем (6) опускают вниз. Скорость перемещения верхнего пуансона (7) и поршня (6) и (9) - одинаковы (вариант вакуумирования 1).

Скорость перемещения поршня (9) больше, чем у элементов (7) и (6) (вариант вакуумирования 2).

Пример 10. Пропитка раствором соли.

Порошок вольфрама с размером частиц 3÷6 мкм засыпали в полость матрицы и проводили уплотнение с одновременной подачей раствора азотнокислого иттрия на верхнюю и боковую поверхности и вакуумированием.

Качество пропитки выше, чем без вакуумирования. Это объясняется тем, что не происходит гравитационного скопления жидкости внизу образца.

Пример 11. Электродный материал - смесь порошка вольфрама с размером частиц 3÷6 мкм, в количестве 96 мас.% и порошка оксида иттрия с размером частиц менее 2,0 мкм в количестве 4 мас.%, пластифицированных 2% раствором ПЭГ в этаноле, в количестве 5 мас.% от массы сухой смеси. Это составляет 0,965 г ПЭГ на 19,3 г вольфрама. Смесь засыпали в пресс-форму и прессовали при введении этанола в количестве 40% от объема пор.

Вакуумирование проводили с увеличивающейся скоростью движения поршня (9). Равномерно ускоренное движение. Скорость движения равна:

где V - скорость перемещения поршня (9), мм/сек; а - ускорение, мм/сек²; t - время, сек.

При а=20,0 мм/сек², степень отмывки пластификатора - 34%.

При а=40,0 мм/сек², степень отмывки пластификатора - 38%.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к прессованию порошковых материалов в присутствии жидкости. Порошок размещают в пресс-форме, содержащей матрицу и прессующий и нижний пуансоны. Со стороны прессующего пуансона в порошок вводят летучую жидкость в количестве 0,2-3 объема пор прессовки перед прессованием и одновременно с ним до окончания процесса. При этом одновременно с введением жидкости проводят вакуумирование со стороны прессующего пуансона. Способ позволяет прессовать непластичные порошки без пластификатора, осуществлять одновременно с прессованием частичное удаление пластификатора и пропитку. Пресс-форма содержит матрицу, верхний и нижний пуансоны, устройство для подачи жидкости и устройство для вакуумирования, размещенное со стороны нижнего пуансона. 5 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ прессования порошковых материалов, включающий размещение порошка в пресс-форме, содержащей матрицу и прессующий и нижний пуансоны, и прессование, причем перед прессованием и одновременно с прессованием до окончания процесса в порошок вводят летучую жидкость со стороны прессующего пуансона в количестве 0,2-3 объема пор прессовки, отличающийся тем, что одновременно с введением летучей жидкости проводят вакуумирование со стороны нижнего пуансона.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вакуумирование при прессовании проводят с увеличивающейся скоростью.3. Способ прессования порошковых материалов, включающий размещение непластичного порошка без пластификатора в пресс-форме, содержащей матрицу и прессующий и нижний пуансоны, и прессование, причем перед прессованием и одновременно с прессованием до окончания процесса в порошок вводят летучую жидкость со стороны прессующего пуансона в количестве 0,2-3 объема пор прессовки, отличающийся тем, что одновременно с введением летучей жидкости проводят вакуумирование со стороны нижнего пуансона до окончания процесса.4. Способ прессования порошковых материалов, включающий размещение порошка в пресс-форме, содержащей матрицу и прессующий и нижний пуансоны, и прессование с частичным удалением пластификатора, причем перед прессованием и одновременно с прессованием до окончания процесса в порошок вводят летучую жидкость со стороны прессующего процесса в порошок вводят летучую жидкость со стороны прессующего пуансона в количестве 0,2-3 объема пор прессовки, отличающийся тем, что одновременно с введением летучей жидкости проводят вакуумирование со стороны нижнего пуансона до окончания процесса.5. Способ прессования порошковых материалов, включающий размещение порошка в пресс-форме, содержащей матрицу и прессующий и нижний пуансоны, и прессование с одновременной пропиткой прессовки, причем перед прессованием и одновременно с прессованием до окончания процесса в порошок вводят раствор соли со стороны прессующего пуансона в количестве 0,2-3 объема пор прессовки, отличающийся тем, что одновременно с введением раствора соли проводят вакуумирование со стороны нижнего пуансона до окончания процесса.6. Пресс-форма для прессования порошковых материалов, содержащая матрицу, состоящую из верхней и нижней частей, верхний и нижний пуансоны и устройство для подачи жидкости, отличающаяся тем, что со стороны нижнего пуансона она снабжена устройством для вакуумирования.7. Пресс-форма по п.6, отличающаяся тем, что в качестве устройства для вакуумирования она содержит поршень, выполненный с возможностью движения по нижней части матрицы.